鋼軌超窄間隙焊接熔池形成及接頭性能研究.pdf

1、無(wú)縫線路是高速、重載軌道結(jié)構(gòu)的最優(yōu)選擇，鋼軌焊接是鋪設(shè)和維護(hù)無(wú)縫線路的關(guān)鍵技術(shù)。而目前鋼軌現(xiàn)場(chǎng)原位焊接頭質(zhì)量偏低是制約我國(guó)無(wú)縫線路整體質(zhì)量提高的最薄弱環(huán)節(jié)，因此開發(fā)一種能提高鋼軌原位焊接頭質(zhì)量的新的焊接方法對(duì)鋼軌原位焊接技術(shù)的提高具有重要的意義。焊劑片約束電弧超窄間隙焊接具有焊接線能量低，接頭質(zhì)量好、焊接效率高、適合厚大件的焊接等優(yōu)點(diǎn)。本文提出采用焊劑片約束電弧超窄間隙焊接方法對(duì)鋼軌進(jìn)行原位焊接，首先研制了一套能夠?qū)崿F(xiàn)鋼軌超窄間隙焊接的

2、試驗(yàn)裝置，然后針對(duì)焊劑片約束電弧超窄間隙焊接過程中熔池的形成控制以及熔池凝固時(shí)熱裂紋的形成機(jī)理及抑制措施進(jìn)行深入研究，結(jié)合上述研究結(jié)果進(jìn)行鋼軌超窄間隙焊接工藝試驗(yàn)，對(duì)焊接變形控制及工藝參數(shù)制定展開了系統(tǒng)研究，最終對(duì)鋼軌超窄間隙焊接接頭組織及力學(xué)性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴設(shè)計(jì)并研制了一套可有效保證鋼軌焊接接頭平直度的鋼軌超窄間隙焊接裝備。該裝備由定位夾緊機(jī)構(gòu)、約束電弧強(qiáng)迫成型裝置和超窄間隙板式焊槍三部分組成，其中根

3、據(jù)焊接變形特點(diǎn)設(shè)計(jì)了能實(shí)現(xiàn)坡口尺寸設(shè)定及夾持的定位夾緊機(jī)構(gòu)、針對(duì)鋼軌截面形狀特征研制了延長(zhǎng)焊道和保證焊道平整的約束電弧強(qiáng)迫成型裝置、結(jié)合超窄間隙坡口尺寸和鋼軌厚度設(shè)計(jì)了保證穩(wěn)定送絲導(dǎo)電的超窄間隙板式焊槍。同時(shí)開發(fā)了一套穩(wěn)定可靠，且能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)的壓片技術(shù)焊劑片制作工藝，并研制了一種可調(diào)控焊劑片在鋼軌坡口中位置精度的放置方法，有效保證了超窄間隙焊接過程的穩(wěn)定性。⑵采用快速中斷電弧的方法使得焊接過程中焊劑片、坡口底部和側(cè)壁的瞬時(shí)熔化形貌得

4、以保留，據(jù)此分析了焊接過程中焊劑片與電弧的相互作用機(jī)制。結(jié)果表明，焊接過程中焊劑片與電弧相互作用面積的關(guān)系直接影響著電弧受約束程度，而電弧受約束程度決定著電弧加熱區(qū)域，從而控制熔池的形成。通過改變電弧電壓、焊劑成分和焊劑片距焊絲距離，獲得了精確控制電弧受約束程度的焊劑片熔化面積與電弧固壁約束面積的關(guān)系：當(dāng)焊劑片熔化面積S>45mm2時(shí),焊劑片熔化面積大于電弧固壁約束面積，此時(shí)電弧受約束程度過小，電弧加熱區(qū)域擴(kuò)展到較大范圍的兩側(cè)壁上，無(wú)法

5、形成有效的熔池。當(dāng)焊劑片熔化面積S＜5mm2時(shí)，焊劑片熔化面積遠(yuǎn)小于電弧固壁約束面積，此時(shí)電弧受約束程度過大，電弧加熱區(qū)域集中在坡口底部而不能直接到達(dá)側(cè)壁，從而形成了側(cè)壁及側(cè)壁根部熔合不良的焊縫。只有當(dāng)焊劑片熔化面積5mm2＜S＜45mm2時(shí)，電弧才能被有效約束在坡口底部和兩側(cè)壁加熱，獲得良好的焊縫成形。⑶通過對(duì)鋼軌超窄間隙焊縫中“一字形”和“人字形”熱裂紋的微觀形貌進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，不同形態(tài)的熱裂紋的形成是因?yàn)楹缚p截面形狀不同導(dǎo)致熔池凝固

6、結(jié)晶方向不同，從而形成了不同形態(tài)的低熔點(diǎn)共晶薄膜，焊縫金屬凝固收縮而受到拉伸應(yīng)力，在拉伸應(yīng)力的作用下低熔點(diǎn)共晶薄膜最終形成熱裂紋。其形成受到焊縫成形系數(shù)、熱輸入量和間隙寬度的影響，隨著焊縫成形系數(shù)減小、熱輸入量增大和間隙寬度減小，熱裂紋傾向均明顯增加。且焊縫成形系數(shù)是影響超窄間隙焊接熱裂紋的主要因素，當(dāng)焊縫成形系數(shù)增大到一定值時(shí)可避免焊縫中產(chǎn)生熱裂紋。最終得到了不同間隙寬度下臨界焊縫成形系數(shù)與熱輸入的關(guān)系曲線。⑷對(duì)每層焊縫角變形進(jìn)行記錄

7、和分析，得到了鋼軌接頭的角變形規(guī)律。并對(duì)焊接過程中應(yīng)力應(yīng)變分布及焊接變形規(guī)律進(jìn)行了有限元分析，進(jìn)一步優(yōu)化了鋼軌角變形規(guī)律，且計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好。從而結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果和有限元計(jì)算結(jié)果估算出合適的反變形角度和坡口尺寸，其中反變形角度為1.58°，坡口底部間隙寬度為4.5mm。同時(shí)根據(jù)底部不斷變化的坡口尺寸對(duì)焊接工藝參數(shù)適應(yīng)性進(jìn)行系統(tǒng)研究，總結(jié)出鋼軌超窄間隙焊接時(shí)，間隙寬度在3.5～5.3mm呈非線性變化所對(duì)應(yīng)的焊接工藝參數(shù)最優(yōu)值。另外，

8、對(duì)超窄間隙根焊工藝進(jìn)行了研究，實(shí)現(xiàn)了單面焊雙面成型。⑸研究了焊劑成分對(duì)鋼軌超窄間隙焊接頭組織和力學(xué)性能的影響。焊劑中未加合金元素時(shí)，焊縫柱狀晶區(qū)組織主要為先共析鐵素體、側(cè)板條鐵素體、條狀鐵素體和少量的珠光體；焊道熱影響區(qū)為晶粒細(xì)小的鐵素體和少量珠光體。焊劑中加入合金元素后，整個(gè)焊縫區(qū)均為細(xì)小而多方位分布的針狀鐵素體，且針狀鐵素體隨合金量增多而變得更加細(xì)小。而且采用超窄間隙焊接方法對(duì)鋼軌焊縫進(jìn)行焊接所獲得的熱影響區(qū)組織明顯細(xì)化。焊劑片約束